《Results in Engineering》：Emerging power quality improvement technology: Recent advances on topologies, control schemes, issues and prospects towards grid decarbonization
编辑推荐：
本文系统综述了面向电网脱碳的电能质量改善技术（PQIT）最新进展，重点探讨了其拓扑结构、控制方案、关键问题与发展前景。文章指出，高比例可再生能源（RES）并网会引发电压波动、频率波动、谐波等电能质量（PQ）问题，而PQIT能有效缓解这些挑战，通过提升电网稳定性、改善能源效率、优化RES集成，从而支撑电网低碳化转型。文章详细分析了中性点钳位（NPC）、飞跨电容（FC）、级联H桥（CHB）等主流PQIT配置及其p-q、d-q等控制策略的优缺点，并提出了未来研究方向，为工程师和研究人员提供了PQIT在电网脱碳应用中的深入见解和技术路线图。
随着全球工业化、人口增长和生活水平提高，能源需求持续攀升，导致碳排放量急剧上升。燃烧化石燃料的发电站是碳排放的主要来源，对全球气候产生不利影响。可再生能源（RES）作为快速、廉价且绿色的解决方案，成为减少碳排放和应对气候变化的关键。然而，可再生能源的高渗透率接入电网可能导致严重的电能质量（PQ）问题，包括电压波动、频率波动、谐波和无功功率不平衡等。为了解决这些挑战，全球能源行业正大规模实施电能质量改善技术（PQIT）。
PQIT对电网脱碳的影响
脱碳化加速了社会向清洁技术的转变，电力能源成为主要来源。为了满足全球日益增长的能源需求，扩大发电和输电基础设施至关重要。然而，传统的集中式电网因化石燃料燃烧、无功功率流动和能量损耗而效率低下且污染严重。将电力电子技术与可再生能源相结合，可提高电网的可接入性、效率和经济性，同时显著减少碳足迹。尽管有这些好处，高比例的可再生能源并网由于其可变性和间歇性，会导致电能质量问题。解决这些PQ问题对于有效脱碳至关重要，需要先进的监控和控制系统、更新的电网规范以及PQIT的部署，以确保可再生能源的可靠并网和清洁能源生产的增加。
PQIT在电网运行和脱碳中引发的挑战可分为两类：PQIT运行中的内部挑战和可再生能源并网电网中的外部挑战。外部挑战包括与电网运行相关的问题（如需要孤岛检测、谐波消除、电网不平衡解决等）和与可再生能源集成相关的问题（如间歇性输出导致的发电-需求不匹配、系统惯性降低等）。内部挑战则涉及PQIT与其它电力电子设备（逆变器、变流器、变压器等）的相互作用、电磁干扰（EMI）以及可靠性问题。
从全球脱碳态势来看，欧盟、美国和中国等主要碳排放国家和地区正在引领脱碳努力。欧盟通过“欧洲绿色协议”和排放交易体系（ETS）等措施，目标是到2050年实现碳中和。美国通过从煤炭转向天然气和可再生能源，显著降低了电力行业的二氧化碳排放。中国作为最大的二氧化碳排放国，在水电、太阳能和风能方面进行了大量投资，目标是2030年前实现碳达峰，2060年实现碳中和。大规模可再生能源电站的安装有可能引起PQ问题，导致成本增加、效率降低、可靠性下降和设备故障。因此，需要普遍建立一系列标准和法规，以确保可再生能源产生高质量的电力。
面向电网脱碳的PQIT配置
PQIT可大致分为三类架构：基于逆变器的、基于结构的和基于可再生能源（RES）的。在基于逆变器的类别中，级联H桥（CHB）、飞跨电容（FC）和中性点钳位（NPC）拓扑是最常见的。
基于中性点钳位（NPC）逆变器的PQIT
NPC逆变器通过串联多个开关器件并采用电压钳位概念，能够产生多电平输出电压，降低总谐波失真（THD），提高系统效率。它们降低了电压应力，改善了功率因数，并减少了滤波要求，使其适用于中高功率应用。然而，它们需要先进的控制来实现中性点电压平衡，调制方案复杂，并且通常限于三电平运行，导致IP3（内部挑战3）等问题。一些研究提出了改进方案，例如双三电平NPC逆变器PQIT、混合NPC结构等，以解决电压不平衡、谐波等问题，但在成本、体积和电容电压平衡方面仍存在挑战。
基于飞跨电容（FC）逆变器的PQIT
FC逆变器在结构上与NPC逆变器相似，但使用电容器代替钳位二极管。FC逆变器提供更好的谐波性能、无功功率控制以及产生多电平电压的灵活性，同时避免了NPC逆变器中存在的中性点平衡问题。然而，它们需要更多的电容器，增加了成本、尺寸和复杂性。管理飞跨电容器电压增加了控制挑战。因此，FC PQIT由于成本和IP1（内部挑战1）问题，在中压（MV）系统中可行性较低。尽管如此，FC逆变器因其高开关频率能力、降低的电压应力和均匀的损耗分布，对中压高速驱动器具有吸引力。一些研究提出了基于FC的PQIT来解决电压暂降、缓解负载电流谐波，但存在输出信号失真、电容平衡等问题。
基于级联H桥（CHB）逆变器的PQIT
CHB逆变器具有更高的模块化、可扩展性，并且用更少的组件产生多电平电压，避免了笨重的电容器（如FC中）和复杂的中性点平衡（如NPC中）。这带来了更简单的控制、更高的可靠性和更低的THD（IP8）。然而，它们需要单独的隔离直流源，这可能增加成本和复杂性。CHB逆变器还提供高效率（IP4）、结构简单（IP3），适用于高功率、中压应用。研究包括7电平CHB逆变器、模块化CHB PQIT等，用于有功/无功功率调节，解决了ER2和EG3、ER3等问题，但增加了尺寸和控制复杂性。
混合PQIT配置
混合PQIT通过集成两个或多个不同的PQIT类型来设计，以最小化传统方法的局限性，同时增强其综合优势。它们提供高输出电压，适用于中高功率应用，其模块化结构允许快速故障检测和更换。例如，结合全桥电容器、FC和两个H桥模型的11电平逆变器，用于中压应用；三相混合容错PQIT，用于电压暂降缓解；基于单相模块化多电平矩阵变换器（M3C）的PQIT等。混合PQIT可以减少半导体数量，降低直流链路电容器电压额定值、成本和开关损耗（IP1）。
PQIT的控制策略
PQIT的许多局限性源于其控制机制、电力电子组件、工作频率和开关行为。因此，使用PQIT的高效能源管理策略至关重要。这些策略旨在减少谐波，确保孤岛运行期间的无缝操作，并提高电能质量。在PQIT中，控制机制根据电压和电流参考信号产生逆变器开关脉冲，以实现所需的性能。
基于瞬时无功功率（p-q理论）的PQIT
这种控制技术能有效补偿非线性负载和畸变电网引起的负载无功功率和谐波。p-q理论将a-b-c静止坐标系转换为αβ坐标系，其中计算瞬时有功功率（p）和无功功率（q）。通过低通滤波器（LPF）分离谐波（p?）和基波（p?）分量，然后转换回a-b-c坐标系以生成电流PQIT控制器的参考信号，解决电流相关的PQ问题。该理论的优点在于基波分量的实功和无功功率的直流特性，易于使用LPF提取且无相移误差。然而，其性能仅在平衡、无谐波的三相网络中令人满意。已经开发了p-q基控制器的变体来处理三线和四线系统中的动态条件。
基于同步参考坐标系（d-q理论）的PQIT
该技术基于a-b-c到d-q的转换。关键控制组件包括用于电网同步的锁相环（PLL）、参考电压/电流生成、直流链路电压调节以及PQIT的开关脉冲生成。通过将扰动电流从a-b-c坐标系变换到αβ坐标系（类似于p-q理论），然后利用PLL的sin和cos操作变换到d-q坐标系来校正电流谐波。这确保了PQIT与电网的同步。使用高通滤波器（HPF）或低通滤波器（LPF）分离谐波和基波分量，并转换回a-b-c坐标系以产生参考信号。d-q理论将电流与电网电压（或反之）解耦，使其在畸变电源下更有效。
PQIT的未来方向与建议
基于RES的电网被认为是发电、输电和配电的可持续且环保的解决方案。为了实现脱碳，必须使发电与电网需求同步。采用各种能源管理方案和控制系统的PQIT有助于这种协调。未来的研究方向包括：
PQIT的结构进步
- 1.
基于开关电容的PQIT：使用直流链路电容器而不是单独的直流源，具有自平衡特性，可解决IP3脱碳问题并降低计算复杂性（EG6）。
- 2.
采用宽禁带（WBG）和超宽禁带（UWBG）器件：下一代PQIT模块需要结合碳化硅（SiC）等WBG开关，这些开关有可能显著提高系统的整体电压和功率额定值（IP3）。随着这些模块成本的下降（EG1, IP1）和大规模生产，其在电网应用中的使用预计将增长。
- 3.
无变压器PQIT设计：研究和实施无变压器的PQIT对于电网应用非常理想和有用，可以降低系统总成本（EG1, IP1）。开关电容器逆变器单元为此提供了一个极好的配置选项。
PQIT的控制策略增强
- 1.
先进的同步机制：改进PQIT控制的锁相环（PLL）技术通过促进可再生能源与电网的集成，在推进脱碳努力方面具有巨大潜力。先进的PLL技术，例如用移动平均滤波器（MAF）、卡尔曼滤波器（KF）等替代LPF，以及用傅里叶变换滑模控制器、模糊逻辑控制器等替代PI控制器，可以大大提高PQIT的抗扰和谐波抑制能力及整体瞬态响应。
- 2.
下一代逆变器控制方法：利用模型预测控制、二阶滑模超螺旋、非线性反步、自适应谐振调节器等先进控制技术，来精确补偿谐波和无功功率，实时最小化损耗和最大化PQ（IP8, EG7, ER1, ER2, IP4）。
- 3.
机器学习在PQIT控制中的集成：将机器学习集成到PQIT控制技术中， presents 一个变革性的机会来加速脱碳努力。PQIT可以使用数据驱动模型来检测谐波频谱、自适应调整滤波器参数和实时优化控制增益，使其能够从系统反馈中学习并不断改进谐波抑制和无功功率补偿（IP8, EG7, EG8, ER1）。
RES集成PQIT的建议
RES与PQIT的集成是通过减少碳排放和解决太阳能和风能发电的可变性来推进脱碳的关键策略。PQIT通过实时动态补偿谐波畸变和无功功率问题来缓解这些问题，确保电力符合质量标准（ER1, ER2）。这提高了电网稳定性，减少了停电和电压暂降（EG2, EG8），并使更高比例的可再生能源能够并入电网。此外，RES集成的PQIT支持分布式能源（DER）和微电网，例如屋顶太阳能和小型风力涡轮机（IP7, EG5），增强了电网弹性（IP3），减少了输电损耗（IP4），并促进了能源独立。结合储能系统（ESS）和自适应控制，实现电网连接和孤岛模式之间的无缝转换，在主电网扰动或可再生能源发电量低期间保持不间断的高质量电源（EG2, ER2, EG3, EG4）。
结论
有效选择PQIT拓扑并实施适当的能源管理方案，考虑功率不平衡、保护问题、发电/需求不匹配以及电压/电流谐波抑制，可以共同为实现电网脱碳目标做出贡献。PQIT在改善电网稳定性、支持可再生能源整合和提高能源效率方面的作用，对于向可持续和低碳能源未来的过渡至关重要。未来的研究应继续解决剩余的挑战，并探索新技术和控制策略，以进一步提高PQIT在推动电网脱碳方面的有效性和效率。
